不同林分密度原始紅松林枯落物和土壤的持水特性

劉忠玲 呂躍東 姚穎

摘 要：為探討林分密度對原始紅松林水源涵養功能的影響，本文采用室內浸水和環刀浸泡法，研究豐林保護區內不同密度原始紅松林枯落物和土壤的持水量差異。結果表明：①枯落物厚度為2.37～5.10 cm，枯落物儲量為10.10～13.96 t/hm2，枯落物層有效攔蓄量為3.81～9.66 t/hm2。枯落物持水量與浸水時間呈對數函數關系（R2>0.930 6），吸水速率與浸水時間呈冪函數關系（R2>0.999 5）。未分解層厚度、儲量、自然含水量、吸水速率低于半分解層，有效攔蓄量高于半分解層。②土壤容重（0～30 cm）為0.78～0.90 g/cm3，土壤有效持水量為229.70～441.57 t/hm2，土壤總孔隙度隨土層加深而降低。③180 株/hm2和360 株/hm2的林分枯落物層有效攔蓄量、土壤層有效持水量均顯著高于80 株/hm2的林分（p<0.05）。180 株/hm2的林分地表層最大持水量顯著高于360 株/hm2的林分（p<0.05），有效持水量顯著高于80 株/hm2的林分（p<0.05）。綜上，研究區內密度為180 株/hm2的原始紅松林水源涵養功能最強。

關鍵詞：豐林保護區;紅松（Pinus koraiensis）;枯落物;土壤;持水特性

中圖分類號：S714 ? ?文獻標識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2020）05-0008-08

Abstract：In order to explore the impacts of stand density on the hydrological functions of original Korean pine forests stands， the water-holding characteristics of litter layer and soil layer of forest in Fenglin Nature Reserve were surveyed by using soaking method and cutting ring method. The results showed that：（1）The litter thickness was 2.37～5.10 cm， and the litter storage was 10.10～13.96 t/hm2， the effective water interception capacity was at range of 3.81～9.66 t/hm2 . The water-holding capacity of litter had a logarithmic relation with soaking time （R2 > 0.930 6）， and water absorption rate showed a power function with soaking time （R2 > 0.999 5）. The thickness and storage， natural water-holding capacity and water absorption rate of un-decomposed layer were lower than those of semi-decomposed layer， while the effective water interception capacity was higher. （2）Soil bulk density was 0.78～0.90 g/cm3， soil effective water-holding capacity was 229.70～441.57 t/hm2. With the deepening of the soil （0～30 cm）， soil total porosity was decreased. （3）The effective water interception capacity of litter layer of 180 plants/hm2 and 360 plants/hm2 stands were significantly higher than that of 80 plants/hm2 stands （p<0.05）. The total maximum water-holding capacity of 180 plants/hm2 was significantly higher than that of 360 plants/hm2 （p<0.05）， and the total effective water-holding capacity was significantly higher than that of 80 plants/hm2 （p<0.05）. The comprehensive results showed that the water conservation function of original Korean pine forest with a density of 180 plants/hm2 was the best.

Keywords：Fenglin Nature Reserve; Korean pine; litter; soil; water-holding characteristics

0 引言

森林具有保持水土、涵養水源的功能?？萋湮飳幼鳛樯炙男牡诙顒訉?，直接覆蓋地表，能夠攔截降水，增加降水入滲，減少地表徑流[1-3]。土壤層作為森林水文效應的第三活動層，有利于雨水下滲，使森林生態系統涵養水源的功能更好地發揮出來[4]。不同類型的森林植被影響著森林水文調節效果，目前對森林水源涵養效應的研究主要涉及同一區域不同林型、同一林分類型不同密度、不同混交方式、不同海拔、不同演替階段等的林分水源涵養功能的研究[5-10]。對于紅松（Pinus koraiensis）林持水性能的研究主要集中于紅松人工林，極少涉及紅松天然林[4-5，7，11-16]。

豐林自然保護區主要保護對象是以紅松為主的北溫帶針闊葉混交林生態系統，保護區內保存著我國目前最典型、最完整的原始紅松針闊混交林[17]。本文對保護區內不同密度原始紅松林枯落物和土壤持水特性進行比較分析，可為該地區的生態環境保護提供理論支持。

1 研究地區概況

豐林自然保護區位于東北地區小興安嶺南坡北緣，地理坐標為128°58′～129°15′ E，48°02′～48°12′ N。植物區系屬長白植物區系小興安嶺亞區，地帶性植被是以紅松為優勢的溫帶針闊葉混交林，主要類型為椴樹紅松林、楓樺紅松林、云冷杉紅松林和云冷杉林等仍具有原始林特色的針闊混交林、針葉混交林，少量分布天然次生林[17]。本試驗紅松原始林主林層為紅松，更新層有云杉（Picea jezoensis var.microperma）、冷杉（Abies nephrolepis）、紫椴（Tilia amurensis）、青楷槭（Acer tegmentosum）和裂葉榆（Ulmus laciniata （Trautv.） Mayr.）等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2017年6月下旬，在80、180、360 株/hm2的天然紅松林（分別以FH1、FH2、FH3表示）內各設置3塊20 m× 25 m標準地，對其中的林木進行胸徑、樹高等調查，樣地基本情況見表1。

2.2 林下枯落物采集與蓄積量測定

在各標準地內隨機設置3個50 cm×50 cm的枯落物收集樣方，將未分解層和半分解層分別裝入密封袋中，并在收集的過程中記錄枯落物層厚度。實驗室內稱自然狀態質量，在80 ℃烘箱中烘至恒重后稱其烘干質量，以烘干質量推算枯落物蓄積量[6，8]。

2.3 枯落物持水的測定

將烘干后的樣品裝入網眼為0.5 mm的尼龍網袋中，放置在盛有清水的白盒中浸泡，分別在浸泡0.5、1、2、4、6、8、10、24 h時取出，靜置至不滴水時立即稱質量，計算持水量、吸水速率和攔蓄量等指標[1-4]。

2.4 土壤持水的測定

采用剖面法，在各個樣地的四角和中間分別選取5個剖面，用環刀（100 cm3）在每個剖面上按照0～10、10～20、20～30 cm分層垂直采樣，每層一個樣品，同時用鋁盒取土樣，用烘干法測定土壤含水量;用環刀法測定土壤容重、孔隙度[7，9]。

2.5 數據統計與分析

采用Excel和SPSS 21.0，進行單因素方差分析（one-way ANOVA）和LSD多重比較，顯著性水平為0.05，采用Excel制圖。

3 結果與分析

3.1 枯落物層蓄積量

枯落物層的厚度范圍為2.33～5.10 cm，FH2與FH3枯落物厚度差異顯著（p<0.05），FH1與FH2未分解層厚度差異顯著（p<0.05），見表2?？萋湮锟傂罘e量為10.10～13.96 t/hm2，各密度間差異不顯著。各密度林分枯落物層厚度和蓄積量均為半分解層高于未分解層。

3.2 枯落物持水過程

不同類型枯落物持水量隨浸水時間的延長均呈增加趨勢（圖1），浸水0.5 h，持水量急速增加，持水量可達最大持水量的75 %以上，浸水0.5～4 h，持水量增加變緩，隨后持水量增加速度保持穩定，10 h持水量可達到最大持水量的94 %以上，直至飽和。

在浸水過程中同時間段持水量比較，總持水量、半分解層持水量FH3>FH2>FH1，未分解層持水量FH3>FH1>FH2。

不同類型枯落物層吸水速率隨浸水時間的變化均呈下降趨勢（圖2），浸水0.5～4 h，枯落物吸水速率直線下降，4～8 h吸水速率下降變緩，而后枯落物吸水速率趨向一致，曲線趨于平直。在浸水過程中，3種密度的林分同時間段吸水速率的排序與持水量排序一致。

枯落物層浸水0.5～24 h的持水量W （t/hm2）與浸泡時間t （h）的關系可以用一元對數方程進行擬合，枯落物的吸水速率V（t/（hm2·h））與浸泡時間t （h）的關系符合冪函數模型，見表3。

3.3 枯落物自然含水量、最大持水量和有效攔蓄量

3種密度的紅松原始林枯落物自然含水量差異不顯著（p>0.05）。從枯落物各組分來看，半分解層自然含水量高于未分解層，見表4。

3種密度的紅松原始林枯落物最大持水量相當于可吸收2.2～2.9 mm的降水，差異不顯著（p>0.05）。從枯落物各組分來看，半分解層最大持水量高于未分解層，見表5。

3種密度的紅松原始林枯落物最大持水率相當于可吸收自身干重2.1～2.3倍的降水，差異不顯著（表5）。從枯落物各組分來看，FH1未分解層最大持水率大于半分解層，FH2和FH3半分解層最大持水率大于未分解層。

3種密度的紅松原始林枯落物有效攔蓄量范圍為3.81～9.66 t/hm2，未分解層、半分解層及全部枯落物有效攔蓄量排序均為FH3>FH2>FH1，差異顯著（p<0.05），見表6。從枯落物各組分來看，未分解層有效攔蓄量大于半分解層。

3.4 土壤物理性質和持水量垂直分布特征

在0～30 cm深度，FH2和FH3林分3個土層間的土壤容重表現為表層最低，隨土層加深而增加，FH1無顯著變化，見表7;各林分3個土層間的土壤總孔隙度有顯著差異（p<0.05），表現為表層最高，隨土層加深而降低。非毛管孔隙度在各林分表現的不同，在FH1林分內無顯著差異，在FH2林分內隨土層加深而增加，在FH3內呈現隨土層加深而降低趨勢;各林分3個土層間的最大持水量有顯著差異（p<0.05），表現為表層最高，隨土層加深而降低。有效持水量在各林分表現的不同，在FH1林分內無顯著差異，在FH2林分內隨土層加深而增加，在FH3林分內呈現隨土層加深而降低趨勢。

3.5 不同密度的林分土壤層物理性質和持水量

3種密度的林分土壤容重均值（0～30 cm）范圍為0.78～0.90 g/cm3（表8），差異不顯著。土壤總孔隙度排序為FH2>FH1>FH3，FH2顯著高于FH3（p<0.05），非毛管孔隙度排序為FH2>FH3>FH1，且FH2和FH3顯著高于FH1（p<0.05）。

土壤最大持水量范圍為1 723.43～1 991.30 t/hm2，FH2>FH1>FH3。土壤有效持水量范圍為229.70～441.57 t/hm2，FH2>FH3>FH1。FH2土壤最大持水量顯著高于FH3，有效持水量顯著高于FH1（p<0.05）。

3.6 森林地表層持水能力綜合評價

森林持水能力主要受枯落物層和土壤層影響，林地最大持水量相當于水源涵養能力的理論值，而有效持水量更能反映其實際持水能力[18-19]。

以枯落物層和土壤層（0～30 cm）蓄水之和進行比較，FH2林地表層最大持水量和有效持水量均最高，且最大持水量顯著高于FH3，有效持水量顯著高于FH1（p<0.05），見表9。

各林地土壤層最大持水量占林地最大持水量總和的百分比均達到98%以上（表9），土壤層有效持水量占林地有效持水量總和的97%以上，說明土壤層對森林涵養水源的作用是主要的。

4 討論與結論

4.1 討論

原始紅松林的枯落物厚度FH3>FH1>FH2，枯落物蓄積量差異不顯著（表2），主要是由于FH2和FH3林下取樣時部分樣點有果實，果實分布不均對枯落物蓄積量影響較大。有研究表明，阿什河流域帽兒山地區紅松人工純林及混交林枯落物蓄積量為6.35～19.07 t/hm2[4，7，12-13]，渾河上游紅松人工林和紅松闊葉混交林枯落物蓄積量分別為17.83 t/hm2和21.20 t/hm2[14]，老禿頂子國家級自然保護區內紅松林枯落物蓄積量為27.58 t/hm2[11]，長白山紅松闊葉林枯落物蓄積量為4.68 t/hm2[5]。本試驗林分枯落物總蓄積量為10.10～13.96 t/hm2，與阿什河流域紅松林枯落物總蓄積量相近。

枯落物持水量隨浸水時間呈對數函數增長，吸水速率隨浸水時間呈冪函數下降（表3），這兩種函數模型與他人研究結果一致[2，7，11，13]?？萋湮锝?.5 h內吸水速率最快，持水量急速增加，說明林地枯落物短時間內對降雨有較好的攔蓄功能[7]。枯落物的最大持水量是將枯落物烘干樣品浸水24 h后測定的結果，有效攔蓄量則考慮了地形條件和枯落物層自然含水率，更能反映枯落物層對降雨的實際攔蓄情況[13]。有研究表明紅松純林及紅松闊葉混交林的枯落物有效攔蓄量約5.20～30.14 t/hm2[4-5，7，12-14]。本試驗林分枯落物有效攔蓄量范圍為3.81～9.66 t/hm2，枯落物層持水能力水平偏低。

3個密度的林分未分解層蓄積量、自然含水量均低于半分解層（表4），有效攔蓄量均高于半分解層（表6），這表明在降雨時，未分解層能發揮更大的截持降雨作用，所以應對林內枯落物加以保護，不被撿拾或破壞。

土壤毛管孔隙中的水分用于供給植物生長和土壤蒸發;非毛管孔隙的水分可以做橫向滲透，沿著不透水層由高到低供應湖泊、河流，所以土壤涵養水分的能力與非毛管孔隙的多少有著密切關系[2，13]。隨土層加深，土壤容重呈增加趨勢，總孔隙度隨土層加深而降低，與陳瑤等[20]研究結果一致。FH2非毛管孔隙度和有效持水量顯著高于FH1，非毛管孔隙的垂直分布在各林分也表現的不同，可見林分密度對土壤孔隙的影響較為明顯，FH2林內降水可很快通過非毛管孔隙轉入地下水，起到涵養水源的作用。有研究表明紅松純林及紅松闊葉混交林的土壤有效攔蓄量約175.41～386.10 t/hm2[4，7，13-15]。本試驗紅松林土壤有效持水量范圍為229.70～441.57 t/hm2（表8），土壤水源涵養功能較好。

4.2 結論

（1）豐林保護區紅松原始林枯落物厚度為2.37～5.10 cm，蓄積量為10.10～13.96 t/hm2，有效攔蓄量為3.81～9.66 t/hm2。枯落物持水量與浸水時間呈對數函數關系（R2>0.930 6），吸水速率與浸水時間呈冪函數關系（R2>0.999 5）。未分解層厚度、蓄積量、自然含水量和吸水速率低于半分解層，有效攔蓄量高于半分解層。

（2）豐林保護區紅松原始林土壤容重均值（0～30 cm）變化范圍為0.78～0.90 g/cm3，土壤有效持水量范圍為229.70～441.57 t/hm2，土壤總孔隙度隨土層加深而降低。

（3）FH3和FH2枯落物層有效攔蓄量、土壤層有效持水量均顯著高于FH1（p<0.05）。以枯落物層和土壤層蓄水之和進行評價，FH2林地表層最大持水量和有效持水量均最高，且最大持水量顯著高于FH3，有效持水量顯著高于FH1（p<0.05）。綜合考慮枯落物層和土壤層的水文效應，密度為180 株/hm2的紅松林水源涵養功能最強。

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